📚 课程目录第4章蓝牙LE协议栈基础与GAP/GATT

4. 蓝牙LE协议栈基础与GAP/GATT

在nRF多协议设备中，蓝牙低功耗（Bluetooth LE）是最常用的协议之一。理解BLE协议栈的分层结构，以及GAP与GATT在其中的位置和职责，是进行广播、扫描、连接建立与数据交互的前提。本节从协议栈分层入手，逐步展开GAP角色、广播与扫描机制、连接建立过程，以及GATT服务、特征与属性表的配置方法。

BLE协议栈分层结构

BLE协议栈自下而上可分为三层：控制器（Controller）、主机（Host）和应用层（Application）。控制器包含物理层（PHY）和链路层（Link Layer），负责射频收发、调制解调、广播与连接事件的时序控制。主机包含L2CAP、ATT、GATT、GAP、SM等协议，运行在nRF SoC的CPU上。应用层则是开发者编写的业务逻辑。

在nRF Connect SDK中，协议栈以SoftDevice Controller或Zephyr Bluetooth Host的形式提供。控制器与主机之间通过HCI（Host Controller Interface）交互，可以运行在同一芯片上（单芯片方案），也可以分离到不同芯片（双芯片方案）。对于nRF52840、nRF5340等SoC，通常采用单芯片方案，控制器与主机共享同一CPU资源。

GAP角色与广播机制

GAP（Generic Access Profile）定义了设备如何被发现、如何建立连接以及连接后的角色分工。BLE中有四种GAP角色：广播者（Broadcaster）、观察者（Observer）、外围设备（Peripheral）和中心设备（Central）。广播者只发送广播数据，不建立连接；观察者只扫描广播，不发起连接；外围设备作为从机被连接；中心设备作为主机发起连接。

广播是BLE设备被发现的第一步。广播包在37、38、39三个广播信道上轮流发送，每个信道发送一次称为一个广播事件。广播间隔（Advertising Interval）决定了两个广播事件之间的时间，范围从20ms到10.24s。较短的间隔提高被发现速度但增加功耗，较长的间隔降低功耗但延长发现时间。

广播数据（Advertising Data）和扫描响应数据（Scan Response Data）各最多31字节。广播数据中必须包含Flags字段，用于指示设备是否支持LE General Discoverable Mode和BR/EDR。常见的广播数据类型包括：

Flags (0x01)：发现模式与能力标志
Complete Local Name (0x09)：设备完整名称
16-bit Service UUIDs (0x03)：完整16位服务UUID列表
Manufacturer Specific Data (0xFF)：厂商自定义数据
TX Power Level (0x0A)：发射功率

在nRF Connect SDK中，使用bt_le_adv_start()启动广播，通过bt_data数组组织广播内容。例如，一个典型的广播配置如下：

static const struct bt_data ad[] = {
    BT_DATA_BYTES(BT_DATA_FLAGS, (BT_LE_AD_GENERAL | BT_LE_AD_NO_BREDR)),
    BT_DATA(BT_DATA_NAME_COMPLETE, DEVICE_NAME, DEVICE_NAME_LEN),
    BT_DATA_BYTES(BT_DATA_UUID16_ALL, BT_UUID_16_ENCODE(0x180F)),
};

static const struct bt_data sd[] = {
    BT_DATA(BT_DATA_NAME_COMPLETE, DEVICE_NAME, DEVICE_NAME_LEN),
};

int err = bt_le_adv_start(BT_LE_ADV_CONN, ad, ARRAY_SIZE(ad),
                          sd, ARRAY_SIZE(sd));

其中BT_LE_ADV_CONN表示可连接广播，ad为广播数据，sd为扫描响应数据。若启动成功，设备将周期性发送广播包，等待中心设备发起连接。

扫描与连接建立

中心设备通过扫描（Scanning）发现外围设备。扫描分为被动扫描和主动扫描：被动扫描只接收广播包；主动扫描在收到广播包后，还会发送扫描请求（Scan Request），外围设备回复扫描响应（Scan Response），从而获取更多数据。

扫描参数包括扫描间隔（Scan Interval）和扫描窗口（Scan Window）。扫描窗口必须小于等于扫描间隔。例如，扫描间隔100ms、扫描窗口50ms，表示每100ms中有一半时间在监听广播信道。占空比越高，发现越快，功耗也越高。

当中心设备决定连接某个外围设备时，发送连接请求（CONNECT_IND），其中包含连接参数：连接间隔（Connection Interval）、从机延迟（Slave Latency）和监督超时（Supervision Timeout）。连接间隔决定主从设备每次通信的时间间隔，范围7.5ms到4s。从机延迟允许从机跳过若干连接事件以节省功耗。监督超时是连接丢失的判断时间，必须大于（1+从机延迟）×连接间隔×2。

连接建立后，中心设备成为主机，外围设备成为从机。双方在约定的连接事件中交替收发数据。主机在每个连接事件开始时发送数据包，从机在收到后回复。若从机没有数据发送，可以回复空包。

GATT服务、特征与属性表

GATT（Generic Attribute Profile）定义了BLE设备之间如何组织和交换数据。GATT使用属性（Attribute）作为基本数据单元，每个属性包含句柄（Handle）、类型（UUID）、值（Value）和权限（Permissions）。属性表（Attribute Table）是设备上所有属性的有序集合，由GATT服务器维护。

GATT层次结构为：服务（Service）→ 特征（Characteristic）→ 描述符（Descriptor）。服务是相关特征的集合，通过服务声明（Service Declaration）定义。特征是服务中实际承载数据的单元，包含特征声明（Characteristic Declaration）、特征值（Characteristic Value）和可选的描述符。描述符用于描述特征的额外信息，如客户端特征配置描述符（CCCD）用于使能通知或指示。

每个属性都有一个16位句柄，由GATT服务器自动分配。句柄按属性表顺序递增，客户端通过句柄访问属性。服务UUID可以是16位（标准服务）或128位（自定义服务）。标准服务如电池服务（0x180F）、设备信息服务（0x180A）、心率服务（0x180D）等。

在nRF Connect SDK中，使用BT_GATT_SERVICE_DEFINE宏定义服务，或使用bt_gatt_service_register()动态注册。以下是一个自定义服务的示例：

static ssize_t read_temp(struct bt_conn *conn,
                         const struct bt_gatt_attr *attr,
                         void *buf, uint16_t len, uint16_t offset)
{
    uint16_t temp = 2350; /* 23.50°C */
    return bt_gatt_attr_read(conn, attr, buf, len, offset,
                             &temp, sizeof(temp));
}

BT_GATT_SERVICE_DEFINE(temp_svc,
    BT_GATT_PRIMARY_SERVICE(BT_UUID_DECLARE_16(0x181A)),
    BT_GATT_CHARACTERISTIC(BT_UUID_DECLARE_16(0x2A6E),
                           BT_GATT_CHRC_READ | BT_GATT_CHRC_NOTIFY,
                           BT_GATT_PERM_READ, read_temp, NULL, NULL),
    BT_GATT_CCC(NULL, BT_GATT_PERM_READ | BT_GATT_PERM_WRITE),
);

上述代码定义了一个环境感知服务（0x181A），包含一个温度特征（0x2A6E），支持读取和通知。CCCD描述符用于客户端使能通知。当温度变化时，服务器可调用bt_gatt_notify()向已订阅的客户端推送数据。

属性表配置要点

属性表配置需要注意以下几点：

权限设置：读、写、读写、加密读、加密写等，需与安全等级匹配。
句柄分配：由协议栈自动完成，开发者无需手动指定，但可通过bt_gatt_attr数组顺序推断。
CCCD管理：通知和指示必须配置CCCD，客户端写入0x0001使能通知，0x0002使能指示。
MTU协商：默认ATT MTU为23字节，可通过bt_gatt_exchange_mtu()协商更大MTU，nRF支持最大247字节。
服务发现：客户端通过bt_gatt_discover()发现服务、特征和描述符，需按句柄顺序遍历。

在实际项目中，建议先使用nRF Connect for Mobile等通用工具验证广播、连接和GATT服务是否正常，再编写自定义客户端代码。这样可以快速定位是协议栈配置问题还是应用逻辑问题。

总结来说，BLE协议栈的分层结构决定了GAP负责连接建立与角色管理，GATT负责数据组织与交互。广播与扫描是设备发现的基础，连接参数影响通信性能与功耗，属性表则是GATT服务器的核心数据结构。掌握这些基础，才能在nRF平台上构建稳定、高效的BLE应用。